Co fizyka może nam powiedzieć o sieci 5G?

Każdego dnia w najrozmaitszych zakątkach świata w ludzkie dłonie trafiają telefony. Dla niektórych są to kolejne egzemplarze, dla innych, pierwsze w życiu modele. Tak czy inaczej, całkowita liczba użytkowników rośnie systematycznie od wielu lat, a wraz z nimi wzrastają potrzeby. Ludzkość wciąż goni za tym, by jeszcze więcej danych zostało dostarczanych do nas zarówno szybciej, jak i taniej. Przyrosty są tak duże, że czasami zwyczajnie brakuje transferu dla nas wszystkich.

Znasz to skądś? Coś podobnego może przydarzyć się np. na lotnisku, stadionie lub jakimś ciekawym turystycznym miejscu. Tłum zgromadzony w jednym miejscu może obciążyć sieć tak bardzo, że nie da się zrobić nic w rozsądnym czasie. Fizyka jest nieubłagana i nie da się jej oszukać. Na pasmach, które dziś zajmujemy, kończy się miejsce. Jeśli nie zaczniemy wykorzystywać wyższych częstotliwości, każdego dnia będziemy zmagać się z problemami wydajności sieci takimi jak podczas imprez masowych. Telefon, zamiast otwierać stronę w sekundę, będzie otwierał ją w 10 sekund. Nadchodzi czas na coś nowego. Naprzeciw potrzebom i problemom z cienia wychodzi nowa, piąta już generacja sieci komórkowej – 5G.

Nowy standard zapewnia, że opóźnienie transmisji danych będzie mniejsze niż jedna milisekunda (poprzednia generacja 4G pracuje z opóźnieniem około 70 milisekund! Tak duża redukcja, otwiera nowe możliwości dla biznesu, ale to temat rzeka, którego nie rozwijam w tym artykule, niemniej zachęcam do samodzielnego zgłębienia, bo jest ciekawie). Jeśli spojrzymy na prędkość pobieranych danych, dla sieci 5G szczyt możliwości wynosi 20 Gbit/s. Dla porównania starsza generacja pozwalała na uzyskanie w idealnych warunkach do 1 Gbit/s…

Maksymalne prędkości transferu danych w sieci 4G/5G. Opracowania własne.

Jeśli komunikację bezprzewodową sprowadzimy do jej korzeni albo nazywając to inaczej, doszukamy się samego początku, trafimy na takie zagadnienie, jak pole elektromagnetyczne. Z lekcji fizyki np. w szkole średniej na pewno każdy pamięta, co to takiego, jednakże przypomnę pewne zasady.

Najpierw słowo o polu statycznym: wartość natężenia pola statycznego jest niezmienna w czasie, ale zmienia się w przestrzeni, tzn. maleje wraz ze zwiększaniem odległości od źródła – im jesteśmy dalej, tym słabiej na nas oddziałuje. W przypadku, gdy pole nie ma statycznego charakteru, wówczas mamy do czynienia z polem elektromagnetycznym zmieniającym się zarówno w czasie, jak i przestrzeni.

Pole magnetyczne, które zmienia się w czasie, wytwarza wirowe pole elektryczne. Jest to tzw. prawo indukcji elektromagnetycznej Faradaya. Prąd, czyli przemieszczające się ładunki oraz pole elektryczne, które zmienia się w czasie, wytwarzają wirowe pole magnetyczne. Jest to tzw. prawo Ampera rozszerzone przez Maxwella. Źródłem pola elektrycznego są ładunki elektryczne – to tzw. prawo Gaussa. Te niezmienne zasady fizyki potrafią sprawić, że człowiek jakby przenosi się do szkolnej ławki, prawda? Moim zdaniem brzmią one jednak trochę „sucho”, a na pewno zbyt akademicko. Aby ten wydźwięk zamienić na coś bardziej przystępnego, powiem to samo inaczej.

Na zasadzie indukcji wzajemnej, zmieniające się w czasie pole elektryczne wywołuje zmienne w czasie wirowe pole magnetyczne, które następnie wywołuje zmienne w czasie wirowe pole elektryczne, i tak dalej, i tak dalej. Jedno pole „rozpoczyna” drugie. W wyniku następujących po sobie nieustających zmian pola elektrycznego i pola magnetycznego powstaje fala elektromagnetyczna. Taką falę można opisać, podając charakterystyczne (dla fal) parametry, czyli długość, częstotliwość oraz prędkość. Długość fali to odległość pomiędzy dwoma, występującymi kolejno po sobie szczytami fali.

Długość fali – wymiar przestrzenny. (źródło: „Pole elektromagnetyczne a człowiek” Ministerstwa Cyfryzacji)

Parametr ten pozwala na opisanie fali w wymiarze przestrzennym i wyraża się go w metrach. Częstotliwość określa liczbę fal, które przechodzą przez wybrany punkt w ciągu jednej sekundy, czyli ile razy na sekundę pole elektryczne i magnetyczne przyjmują te same wartości. Częstotliwość fali pozwala na jej opisanie w wymiarze czasowym i jest związana z okresem fali, który wyrażamy w sekundach, natomiast częstotliwość zapisujemy w hercach [1/s].

Prędkość rozchodzenia fali elektromagnetycznej nie zależy od częstotliwości. Fale radiowe, światło widzialne i promieniowanie rentgenowskie wędrują przez przestrzeń z dokładnie tą samą prędkością. W próżni będzie to dokładnie 299 792 458 m/s. Dla uproszczenia często mówi się, że to w przybliżeniu, czyli ok. 300 tys. km/s, czyli naprawdę szybko… No dobrze, ale skoro na co dzień otacza nas powietrze, a nie próżnia, jaka jest różnica w prędkości rozchodzenia się fali w powietrzu? Otóż okazuje się, że to „jedynie” 90 km/s mniej.

Czasy opóźnienia w sieciach komórkowych. Opracowania własne.

Fale mają zdolność do przenoszenia energii. Dosłownie na własnej skórze możemy tego doświadczyć podczas upalnych dni, gdy na niebie nie ma żadnych chmur. Fale elektromagnetyczne emitowane przez słońce, czyli po prostu promienie słoneczne, ogrzewają nasze ciała. Promieniowanie elektromagnetyczne można podzielić ze względu na rodzaj interakcji fal z materią. Ten podział pozwala wyróżnić dwa podstawowe rodzaje promieniowania elektromagnetycznego: jonizujące i niejonizujące (czyli takie, które są zdolne do wywołania jonizacji ośrodka materialnego albo nie).

Podział promieniowania elektromagnetycznego na jonizujące i niejonizujące (źródło: „Pole elektromagnetyczne a człowiek” Ministerstwa Cyfryzacji)

Ponieważ górna wartość mikrofalowego zakresu częstotliwości fal elektromagnetycznych wynosi 300 GHz, wszystkie częstotliwości mikrofalowe, a tym samym również radiowe, nie należą do promieniowania jonizującego. Pole elektromagnetyczne o częstotliwościach radiowych jest niejonizujące, więc nie niszczy struktury atomowej materii.

Mikrofale

Rewolucja technologii bezprzewodowej może mieć miejsce za sprawą wykorzystania znanych nam od dawna fal milimetrowych (używanych dotychczas np. przez radary wojskowe, satelity czy też w łączności radiowej typu punkt-punkt), czyli tych o długości od 1 mm do 1 cm. W różnych opracowaniach spotyka się różne zakresy promieniowania uznawanego za promieniowanie mikrofalowe. Ich zagospodarowanie w sieciach komórkowych, w celu transmisji danych pomiędzy stacjami bazowymi a użytkownikami to zupełnie nowe podejście.

Fale milimetrowe, znane są również pod nazwą ekstremalnie wysokich częstotliwości (Extremely High Frequency), to pasmo częstotliwości radiowych, które dobrze nadaje się do sieci 5G. W porównaniu z częstotliwościami poniżej 5 GHz używanymi wcześniej przez urządzenia mobilne, fale milimetrowe umożliwiają transmisję na częstotliwościach od 30 GHz do 300 GHz (początkowo sieć 5G w Polsce będzie operować na nieco dłuższych zakresach, lecz z biegiem czasu prawdopodobnie zostaną dodane także inne pasma np. 61GHz, tak jak dziś ma to miejsce w USA czy Azji).

Zasięg fal milimetrowych jest znacznie krótszy od np. mikrofal, dlatego też odległość, na którą można efektywnie propagować sygnał od nadajnika do telefonu jest zmniejszona (szacowane zasięgi w ramach pasma 26GHz wynoszą od 50 do 500 metrów w przestrzeniach otwartych, natomiast w obszarach zabudowanych nie przekraczają 200 metrów).

Fale milimetrowe mają problem z pokonywaniem przeszkód terenowych takich jak np. ściany. To powoduje, że sieć 5G będzie budowana z dużej ilości sprzętu odpowiedzialnego za propagację sygnału oraz jego odbiór – małe nadajniki będą gęsto rozsiane tak, aby zapewnić ciągłości transmisji na wybranym obszarze. Gęste rozmieszczenie anten pozwala efektywnie zarządzać energią transmisji, przeszkodę bowiem można ominąć i przesłać sygnał inną alternatywną ścieżką. Dzięki takiemu rozmieszczeniu moc nadawanego sygnału pozostaje niewielka a dane trafią wprost do źródła.

Większa ilość anten działa na korzyść również w drugą stronę, tzn. nasz telefon będzie pracował w bliskim otoczeniu wielu odbiorników, co przekłada się mniejszą odległość, jaką będzie miał do pokonania sygnał, który wyślemy z naszego telefonu. To powoduje, że będziemy nadawać z mniejszą mocą. W ten sposób nasza bateria będzie pracować dłużej a natężenie pola elektromagnetycznego podczas rozmowy będzie niższe. Przebudowa sieci to kosztowna operacja jednak postęp technologiczny pozwala nam dziś produkować zaawansowany sprzęt niskim kosztem, a to sprawia, że cała operacja staje się opłacalna z biznesowego punktu widzenia.

Mimo kosztów i ograniczeń sieć 5G to moim zdaniem ogromny krok naprzód. Dla zobrazowania skali przeskoku wspomnę, że sieć 5G może obsłużyć do miliona urządzeń na kilometr kwadratowy, gdy 4G obsługuje tylko do 100 000 urządzeń na kilometr kwadratowy.

Przewidywany ruch w sieciach mobilnych na świecie. Źródło: Ericsson Mobility Raport 2019.

W naszym kraju brane są pod uwagę pasma częstotliwości 700MHz, 3,4 do 3,8GHz, a w przyszłości także 26GHz (czyli fale decymetrowe i centymetrowe). Są to częstotliwości, które już teraz wykorzystujemy np. w telekomunikacji, do przesyłania sygnału telewizyjnego. Przydzielenie nowych pasm jest konieczne z powodu przewidywanego 24-krotnego wzrostu zapotrzebowania na transfer danych w Polsce do roku 2030! (źródło: Przewodnik po 5G Ministerstwa Cyfryzacji).

Jeśli dziś nie zaczniemy pracować nad modernizacją sieci i przegapimy moment, w którym można jeszcze spokojnie pójść na przód i wdrożyć sieć 5G z pewnością „zatkamy” Internet mobilny. Bez nowych częstotliwości, „korek” w Internecie mobilnym będzie czymś (niestety) normalnym i powszechnym, jak jego drogowy odpowiednik.

Tutaj muszę jeszcze wspomnieć o kuchence mikrofalowej, tak by nie było nieporozumień i wątpliwości. Gdy podgrzewamy kawałek ulubionej pizzy w „mikrofali”, nasze jedzenie bombardujemy falami potężnej mocy np. 1000W na częstotliwości 2.45GHz (Wifi może wtedy zwariować na moment, ponieważ pracuje właśnie na tym paśmie). Dzięki temu cząsteczki wody (wewnątrz pizzy) zaczynają drgać i wytwarzać ciepło. Wysoka moc jest w takim przypadku przydatna i dzięki niej możemy ucieszyć żołądek ciepłym daniem.

W telefonii komórkowej moc, o której mówimy jest rzędu dziesiątych części wata (od 0,2 do 0,002W w zależności od odległości do stacji bazowej). Dla podkreślenia dodam, że przykładowo, typowa moc urządzeń z interfejsem Bluetooth wynosi ok. 0,001 W – czyli milion razy mniej niż wynosi moc wspomnianej kuchenki mikrofalowej.

Wifi vs 5G, czyli podobieństwa i różnice

Technologia sieci 5G jest już na ostatniej prostej przed powszechnym wdrożeniem. Właśnie, teraz gdy czytasz ten artykuł w różnych miejscach, na całym świecie trwają testy najnowszej generacji sieci komórkowej. Sprawdzane są różne konfiguracje i scenariusze jej użycia. Jednocześnie na rynku pojawiają się routery Wifi wspierające 5G, które mają za zadanie zmienić domowy Internet na jeszcze szybszy, z minimalnym opóźnieniem.

Wiele problemów i nieporozumień powoduje fakt, że klasyczne routery Wifi, czyli te działające w oparciu o pasmo 2.4GHz także poszły nieco do przodu i bez przeszkód możemy przeskoczyć na pasmo 5GHz (oczywiście jeśli sam sprzęt jest na to gotowy). Wyższa częstotliwość routera nie ma nic wspólnego z technologią 5G, to dwie różne bajki… Choć „piątka” w nazwie może wskazywać podobieństwa i łatwo o pomyłkę.

Czym w takim razie jest wspomniany już router 5GHz? W gruncie rzeczy to żadna rewolucja, a raczej zwykła ewolucja dobrze znanego nam produktu, bez którego trudno wyobrazić sobie (jeszcze, póki co..) domowy Internet. Przez wiele lat jedynym pasmem dostępnym dla routerów Wifi było 2.4GHz. Należy wspomnieć, że ten zakres częstotliwości jest dość popularny. Takie urządzenia jak elektroniczna niania, bramy i drzwi garażowe sterowane za pomocą pilota czy stare modele telefonów bezprzewodowych wymieniają informacje właśnie na częstotliwości 2.4GHz, które to pasmo jest nielicencjonowane, dlatego takie popularne. Wymienione sprzęty to jedynie kilka przykładów z długiej listy.

Dostępność sprzętu oraz ruch jaki generują może powodować odczuwalne straty w prędkości naszej domowej sieci. W idealnych warunkach sieci Wifi 2.4GHz w przełożeniu na prędkość to zakres od 450-600Mbps (wyniki są zależne od klasy routera). Naprzeciw problemom wychodzi możliwość połączenia dwóch różnych pasm w obrębie jednej sieci (z ang. Dual-band). Jako wsparcie dodajemy pasmo 5GHz. Co prawda fale radiowe tego pasma są krótsze, a to powoduje, że trudniej jest im pokonywać przeszkody np. takie jak ściany, czy grube drzwi, ale skok transferu jest odczuwalny. Mówimy tutaj o przyspieszeniu do poziomu 1300Mbps.

W związku z tym, iż pasmo 5GHz jest mniej przepełnione niż starsze – 2.4GHz połączenie staje się bardziej stabilne. Na minus działa fakt, że fale o krótszej długości oferują krótszy zasięg sieci. Najlepsze wyniki można otrzymać łącząc dwa pasma w swego rodzaju hybrydową sieć. Technologia pozwala jednocześnie propagować sygnały zarówno na 2.4GHz jaki i 5GHz. Nowsze urządzenia będą mogły połączyć się z szybszym pasmem, a modele nie dostosowane do tego zakresu wybiorą starszą i wolniejszą wersję sieci. Przy takim układzie każdy powinien być usatysfakcjonowany.

Jeśli dziś nie jesteś zadowolony z działania swojego Wifi, bo może brakuje prędkości transferu albo opóźnienia są zbyt duże i nie możesz cieszyć się płynnością, a jednocześnie zasięg nie jest problemem, proponuję sprawdzić sieć Wifi pracującą na częstotliwości 5GHz.

Gdy znamy już różnicę pomiędzy Wifi 2.4 i 5 GHz czas by na boisko wprowadzić nowego gracza: technologię 5G. Zaczniemy od nazwy, piątka oznacza kolejną (piątą) wersję technologii sieci telekomunikacyjnej. Litera G pochodzi od angielskiego słowa generation, czyli generacji. Najnowsza wersja standardu została zaprojektowana w taki sposób, by była szybsza od swojej poprzedniczki, czyli sieci 4G LTE, a jednocześnie zapewniała dużo mniejsze opóźnienia. Skok technologiczny jest w tym wypadku ogromny. Spokojnie możemy powiedzieć, że to rewolucja w świecie komunikacji bezprzewodowej, a nie ewolucja.

Sieć 5G rozwinie wiele sektorów gospodarki (jeśli nie wszystkie) i jednocześnie otworzy kilka całkiem nowych kierunków rozwoju. Przyszłość widziana z tej perspektywy jest ogromnie ciekawa i interesująca. Jednym z miejsc, gdzie transformacja techniki może mieć miejsce jest nasz domowy Internet. Wifi nawet to „lepsze” pracujące w zakresie 5GHz nie ma szans w starciu z siecią 5G. Wifi nie radzi sobie przy dużych zasięgach, jest to technologia wydajna, lecz tylko na ograniczonym obszarze, gdzie ilość urządzeń jest niewielka. Żeby nie było wątpliwości nie istnieje coś takiego jak sieć „5G Wifi”. To całkiem inne rzeczy. Wifi przesyła dane w pasmach 2.4GHz i 5GHz. Technologia 5G to zakres fal radiowych z innego przedziału.

Co jest podobne w tych rozwiązaniach to tak naprawdę bezprzewodowa transmisja danych identyczna co do zasady działania. Gdybyśmy chcieli poszukać podobieństw z życia codziennego to śmiało możemy przyrównać tę technologię do jazdy rowerem i samochodem. Używając tych środków transportu poruszamy się, kierunek ruchu zmieniamy za pomocą kierownicy, w obu przypadkach energię na drogę przenoszą koła… I można tak dalej długo wymieniać podobieństwa, ale różnice również są ogromne.

Na tej zasadzie można wyobrażać sobie świat sieci Wifi i technologii 5G – podobny, a jednak pod wieloma względami bardzo różny.

---

Zdjęcie główne artykułu pochodzi z unsplash.com.